Acoustique Technique 64

7/21/2019 Acoustique Technique 64

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P U B L I C A T I O N

Centre dInformationet de Documentationsur le Bruit

Avec le concoursde la Socit FranaisedAcoustique

TRIMESTRIEL DINFORMATIONDES PROFESSIONNELS DE LACOUSTIQUE

NUMERO

64

2011 NUMRO 64

Les rglementations, les normes et lesrfrentiels concernant les vibrations

et leur mesurage M. Villot

Les vibrations causes par le traficferroviaire de surface

E. Bongini & al.

valuation et modlisation de la propagationvibratoire dans plusieurs immeublesdhabitation

G. Coquel & al.

La diversit des sources vibratoires :les vibrations lies aux engins de chantier

A. Bigot & al.

Problmatiques vibratoiresdans la construction

A. Fournol & al.

Acoustique et Vibrations dans les navires passagers

S. Branchereau

Outils de modlisation de la propagationcouple sol-structure P. Jean & al.

Ncessit et amorce de constructiondun utilitaire de prdiction de la propagationdes vibrations dans un btiment

G. Viot & al.

Rduction des vibrations dun tramway

la source T. Legouis

Rduction des vibrations dans un tunnelferroviaire gabarit rduit sous un immeublede bureaux : le souterrain Valhubert

M. Asselineau & al.

Rduction des vibrations lies un supermarch

D. Bozzetto & al.

VIBRATIONS DANS LES BTIMENTS

Spcial colloque22 et 23 mars 2011


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NU M E R O

1er

TRIM

ESTRE

20

11

DITORIAL 3

DOSSIER SPCIAL VIBRATIONS DANS LES BTIMENTS

Les rglementations, les normes et les rfrentiels concernantles vibrations et leur mesurage

Michel Villot 5

Les vibrations causes par le trafic ferroviaire de surface

Estelle Bongini & Anne Guerrero 10

valuation et modlisation de la propagation vibratoire dansplusieurs immeubles dhabitation

Guillaume Coquel & Corinne Fillol 15

La diversit des sources vibratoires : les vibrations lies aux enginsde chantier

Alexis Bigot & Mansour Lassoued 21

Problmatiques vibratoires dans la construction

Alain Fournol & Nicolas Souil 27

Acoustique et Vibrations dans les navires passagers

Sylvain Branchereau 34

Outils de modlisation de la propagation couple sol-structure

Philippe Jean & Michel Villot 39

Ncessit et amorce de construction dun utilitaire de prdictionde la propagation des vibrations dans un btiment

Gabrielle Viot & Eric Gaucher 45

Rduction des vibrations dun tramway la source

Thierry Legouis 50

Rduction des vibrations dans un tunnel ferroviaire gabarit rduitsous un immeuble de bureaux : le souterrain Valhubert

Marc Asselineau & Stphane Mercier 54

Rduction des vibrations lies un supermarch

Denis Bozzetto & Walid Wasmine 57

ACTUALITS

Technologies 60

Bio-acoustique 61

Produits 62

Normes franaises 63

Normes internationales 64

Directeur de la publication :Dominique Bidou

Rdaction :Brigitte Quetglas

Comit de rdaction :Patrick Cellard, Patrick Chevret,Alice Lambert, Jacky Dumas, Bernard Favre,Philippe Guignouard, Bertrand Dubus,Jacques Lambert, Manuel Melon,Pascal Millot, Jean Tourret.

Imprimeur : Imprimerie de Champagne

Conception graphique :Antoine Maiffret,Olga Debonnet

Illustration :Marc Mirzayou

Contact :Acoustique & Techniques,12/14, rue Jules Bourdais,75017 PARISTl. : 01 47 64 64 61Fax : 01 47 64 64 63

ISSN : 1263 - 8072

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SpcialVibrationsdanslesbtiments

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3SpcialVibrationsdanslesbtiments

Editorial

Chers lecteurs,

Nous vous avons propos en 2009 deux numros consacrs aux vibrations indus-trielles qui ont suscit un vif intrt.

Toutefois, certains de nos lecteurs nous ont fait remarquer quil existait aussi desphnomnes vibratoires transmis dans les btiments notamment par les transportsterrestres et que ce sujet, bien que peu abord, tait dautant plus dactualits quede plus en plus de villes souhaitent squiper dun mode de transport plus respec-tueux de l environnement : le tramway.

Nous avons donc dcid dy consacrer deux journes dinformation les 22 et 23 mars Paris. Vous trouverez dans ce numro spcial Vibrations dans les btimentsla plupart des confrences qui y ont t prsentes.

Nous esprons que ce sujet vous passionnera autant que nous et nous vous souhai-tons bonne lecture.

Nous profitons de cet ditorial pour remercier chaleureusement Catherine Lavandieret Jean Kergomard qui, aprs avoir collabor activement et trs efficacement notre comit, ont souhait passer le relais Bernard Dubus, prsident de la SFA etManuel Melon, professeur dacoustique au Cnam.

Acoustiquement vtre

Le comit de rdaction


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Les textes existants

Pour traiter dune source de vibration et dun effet parti-culier, il est ncessaire de connatre la mthode de mesu-rage, la quantit physique pertinente mettre en rela-tion avec leffet considr et cette relation entre quantitphysique et effet, de manire pouvoir fixer des seuils ne pas dpasser. Toutes ces informations figurent dansles textes rglementaires et normatifs existants ; nousallons essayer de les synthtiser.

Cette section traite dabord :

- des sources assez fortes et susceptibles dendomma-ger les structures des btiments environnants, comme lesvibrations de chantier de construction ou dmolition,- puis des sources en gnral plus faibles mais suscep-tibles de gner les personnes comme les vibrations destransports terrestres.

Sources susceptibles dendommager les structures Cas franais

Il y a un cadre rglementaire et normatif en France surle sujet avec une loi (1976) relative aux installations clas-ses (usines, ateliers, chantiers) et qui dfinit les dispo-sitions auxquelles sont soumises ces installations et unecirculaire (1986) qui prcise les rgles techniques relati-ves aux mthodes de mesurage et lvaluation des effetssur les constructions.Le mesurage des vibrations est effectu dans les 3 direc-tions ; la position nest pas dfinie prcisment, mais il

faut viter les modes propres des lments sur lesquelsles capteurs sont fixs.La quantit pertinente est la vitesse particulaire en mm/s(enregistrement temporel de 4 150 Hz pour des ampli-tudes de 0,1 mm/s 50 mm/s).La configuration sol-btiment est catgorise avec descatgories de construction (suivant leur vulnrabilit), descatgories de fondation et des types de terrains.Pour un contrle rglementaire, ces classes sont regrou-pes en 3 ensembles (constructions rsistantes, sensi-bles et trs sensibles) ayant chacun ses propres seuils,comme le montre le tableau suivant. Notons que les seuils

dpendent de la bande de frquence considre et dutype de vibrations (continues ou impulsionnelles). Pourdes btiments modernes (rsistants) lordre de gran-deur de seuil est dune dizaine de mm/s.

Tabl. 1 : Valeurs limites de la vitesse particulaire (en mm/s)

Les rglementations, les normeset les rfrentiels concernant

les vibrations et leur mesurage

Rsum

Cet article prsente, de manire simplifie et non exhaustive, les rglementations,

normes et rfrentiels concernant les vibrations et leur mesurage dans les

btiments, que les documents soient franais, provenant dautres pays europens

ou internationaux, et en mettant en vidence leur contenu technique. Un rapport

dtude beaucoup plus dtaill, rdig par le CSTB pour le Ministre de lcologie,

du dveloppement durable, des transports et du logement (MEDDTL) est donn en

rfrence [1]. Les types de vibrations considrs dans cet article sont les vibrations

environnementales comme les vibrations gnres par les transports terrestres oules vibrations de chantier (sismique et explosions de type tirs de mines exclues), et

les vibrations provenant de sources internes au btiment (quipements), vibrations

la marche exclues. Cet article parle des textes existants mais donne aussi des

informations sur les principaux travaux mens actuellement par les groupes de

normalisation, en particulier au niveau franais.

Michel VillotCSTBDpartement Acoustique et clairage24, rue Joseph Fourier38400 Saint Martin dHresTl : 04 76 76 25 25E-mail : [email protected]


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6 SpcialVibrationsdanslesbtiments Les rglementations, les normes et les rfrentiels concernant les vibrations et leur mesurage

Remarques- les rgles techniques sur le mesurage sont reprisesdans la norme franaise rcente NF E 90 -020 :2007 (voirsection suivante).- il existe une norme ISO 4866 : 1990 sur le mme sujet,postrieure la circulaire de 1986 et qui a repris le mmetype dapproche.- Laspect effet sur les personnes est curieusementmentionn dans la circulaire de 1986 par la phrase suivante :En rgle gnrale, on observe que, lorsque ltude sis-mique a rgl le problme de la scurit des construc-tions, celui des autres nuisances des occupants de cesconstructions se trouve rsolu.

Autres exemples europens

Il existe des normes nationales relatives aux vibrationset leurs effets sur les structures dans de nombreux payseuropens : citons en particulier lAllemagne (DIN 4150-3:1999), le Royaume Uni (BS 7385-2:1993) et la Norvge

(NS 8141:2004) ; tous saccordent sur lutilisation de lavitesse particulaire non pondre (valeur crte) mesuresur un lment porteur proche des fondations.

Sources susceptibles de gner les personnesToutes les sources de vibration sont susceptibles de gnerles personnes. Il est intressant ce niveau de sparerles sources internes aux btiments de type quipementscomme les ascenseurs, les conduits dvacuation deau,qui en gnral ne gnrent pas de niveaux vibratoiresperceptibles corporellement, mais gnrent du bruit soli-dien, des sources externes (transport terrestre ou chan-tier) plus puissantes.Pour fixer les ides, lordre de grandeur de seuil de percep-tion corporelle dun individu est de 0,1 mm/s (Lv = 66dB en niveau de vitesse rf. 5.10 -8m/s) alors quun bruitsolidien dune vingtaine de dB(A) dans un local (percepti-ble la nuit) correspond des niveaux vibratoires de dallebton de lordre de 45 dBlin, donc dune vingtaine de dBplus faibles que le seuil de perception. Notons que lesseuils relatifs des dommages potentiels aux structuresrsistantes prsents plus haut taient plutt de lor-dre de 10 mm/s, soit un facteur 100 en amplitude parrapport au seuil de perception corporel des vibrations(soit 40 dB au dessus).

Les sources internes au btiment

Les quipements de btiments dhabitation sont soumis la Rglementation Acoustique franaise (2001) qui imposedes limites en bruit d quipement (bruits arien et solidiencumuls) de 30 dB(A) dans les pices principales des loge-ments (chambres et sjour) et 35 dB(A) dans les cuisines.Cette rglementation est purement acoustique, mais inclutles bruits solidiens ; les vibrations en sont exclues.Laspect normatif concernant la caractrisation arienne etstructurale en laboratoire de ces quipements et la prdic-tion des niveaux de bruits arien et solidien quils gnrentsur site est trait au niveau europen par le CEN/TC126(Building Acoustics) via deux groupes de travail actifs :CEN/TC126/WG2 pour la prdiction du bruit sur site (CSTBmembre) et CEN/TC126/WG7 pour la caractrisation enlaboratoire (CSTB animateur).Deux normes sont sorties rcemment en 2009 et concer-nent les installations dquipement sur structures lourdes :la norme EN 15657-1 qui traite de la caractrisation en

laboratoire de la puissance structurale de lquipement surune paroi lourde de rfrence, et la norme EN 12354-5 quiestime le bruit solidien rayonn sur site partir de cettepuissance de rfrence.Les deux groupes travaillent actuellement aux installat ionsdquipement sur structures lgres ossature et la trans-mission du bruit solidien dans ce type de structure.

Les sources externes au btiment

Ces sources, comme les vibrations gnres par les trans-ports terrestres et le ferroviaire en particulier, sont suscep-tibles de gnrer dans les btiments des niveaux vibratoi-res perceptibles corporellement et auditivement.

Le cadre rglementaire et normatif existant franais rela-tif leffet des vibrations sur les personnes est dabordprsent puis, au vu des manques, les rponses donnespar les textes internationaux ISO et nationaux de certains

pays dEurope plus en avance sont analyss.

Le cas franaisIl ny a pas de rglementation franaise traitant de leffetdes vibrations environnementales sur les personnes et leseul texte normatif qui pourrait apporter des rponsesest la norme NF E 90-020 : 2007, trs gnrale commele montre son titre : Vibrations et chocs mcaniques -Mthode de mesurage et dvaluation des rponses desconstructions, des matriels sensibles et des occupants.Concernant les effets des vibrations sur les personnes, lanorme donne des informations sur la mthode de mesu-rage (mesure des vibrations sur les planchers, l o lesniveaux sont maximaux, intervalles de mesurage) et

surtout sur le traitement de signal (filtrage 1/3 octave,calcul FFT, calcul de valeurs rms, pondration frquen-tielle), mais ne donne aucune indication sur les descrip-teurs dexposition utiliser et aucune valeur seuil.Il faut donc rechercher des rponses au niveau interna-tional (norme ISO) et dans les pays plus avancs commelAllemagne, le Royaume Uni...

Les textes ISO primairesCes textes sont dits primaires car ils dfinissent les gran-deurs qui sont ensuite reprises par les normes nationa-les des pays. Deux normes sont dimportance : ISO 2631-1:1997 et ISO 2631-2:2003.

La norme ISO 2631-1:1997donne des spcificationsgnrales :

- grandeur de base : valeur rms sur la dure de mesuragede lacclration pondr :

- calcul de aw,rms:- spectre 1/3 octave de valeurs rms non pondres

de lacclration (en gnral en dB) - pondration 1/3 octave des spectres (pondra-tion donne en linaire et en dB dans lISO 2631-1) - calcul de aw,rms(en linaire ou en dB) par sommenergtique des valeurs pondres par 1/3 octave.


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7SpcialVibrationsdanslesbtimentsLes rglementations, les normes et les rfrentiels concernant les vibrations et leur mesurage

Dans le cas particulier de signaux avec facteur de crte lev,deux mthodes complmentaires sont proposes :

- mthode complmentaire #1: valeur rms glissanteet recherche dun maximum de vibration t ransitoire sur ladure de mesurage ; intgration exponentielle possible

MTW=max [aw,rms(t)]

- mthode complmentaire # 2 : calcul de la racinequatrime de la dose vibratoire (VDV)

(valeur de dose vibratoire)

La norme ISO 2631-2:2003a pour domaine dapplica-

tion les vibrations dans les btiments (1Hz-80 Hz) avecles spcifications suivantes :

- emplacement de mesurage : l o la plus forte ampli-tude de vibration pondre est mesure (dalle prs ducentre dans le cas trs frquent de vibrations verticalesdominantes) ;- recommandation de la pondration wmen frquencedonne en linaire et en dB, la mme quelle que soit ladirection de mesure et quelle que soit la position de lapersonne ;- annexe B informative : il est conseill de mesurer aussi lebruit solidien (emplacement o son effet est gnant) maisaucun descripteur dexposition nest propos ;- aucune valeur limite nest donne (mais donne dans laversion prcdente de 1989), montrant clairement queles seuils doivent tre dfinis au niveau des pays.Quatre exemples de cadre normatif et rglementaire enEuropeCette section montre comment quatre pays europens(lAllemagne, le Royaume Uni, la Norvge et la Suisse) ontconstruit leur propre norme partir des normes primai -res ISO. Un point commun : ces quatre pays utilisenttous, les mthodes complmentaires proposes parlISO 2631-1.

Cas du Royaume Uni : norme BS 6472-1:2008

Les spcifications sont les suivantes :

- utilisation de pondrations wbpour mouvement verticalet wdpour mouvement horizontal, diffrentes de la pond-ration wmde la 2631-2 ;- utilisation de la grandeur VDV (voir dfinition ISO 2631-1),mesure sparment le jour ou la nuit ; la grandeur VDVdpend beaucoup plus de lamplitude vibratoire que dela dure dexposition. La grandeur de base est donc lac-clration ;- dans le cas de vibrations continues avec facteur de crtepas trop lev, la valeur de dose vibratoire VDV peut treestime partir de lacclration rms pondre aw,rmscalcule sur une dure t dexposition par :

eVDV=1,4. aw,rms . t0.25

- la norme donne des valeurs limites (exprimes en VDV) ne pas dpasser pour les btiments dhabitation en sparant

jour (VDVjour; t=16 h, de 6 22 h)) et nuit (VDVnuit; t=8 h, de22 6 h) ; noter laspect probabiliste avec pour chaquecas, 3 valeurs limites croissantes correspondant 3 cat-gories de raction (respectivement faible probabilit deplaintes, plaintes possibles et plaintes probables)

Remarque : une tude perceptive sur site grande chelleet relative aux vibrations ferroviaires est en cours, suppor-te financirement par le DEFRA (Ministre de lenviron-nement anglais).

Cas de lAllemagne : norme DIN 4150-2:2001

Tout dabord une remarque sur la DIN 4150-1 : cest un guidetrs sommaire sur la prdiction des vibrations ; notonsque de nombreux exemples de signaux vibratoires au sol(signaux temporels et spectres en frquence) pour diff-

rentes sources vibratoires sont donns en annexe.

Les spcifications de la DIN 4150-2 sont les suivantes :

- vibrations dans les btiments limites la bande1 Hz-80 Hz ;- la grandeur de base est la valeur rms glissante (intgra-tion exponentielle avec temps dintgration de 0,125 s,constante Fast) de la vitesse vibratoire KBF(t)pondresuivant DIN 45669-1 ; la procdure est semblable lISO2631-1 (mthode complmentaire #1) applique la vitessevibratoire ; les pondrations sont cohrentes avec lespondrations en acclration w de lISO 2631-1:1997 ;- le maximum de vitesse vibratoire est recherch avec

des rgles particulires ;- la priode dvaluation Trest spare en jour/nuit (mmesbornes que la BS 6472-1) ; des priodes de repos peuventtre prises en compte (semaine : de 6 7 h le matin et de19 22 h le soir ; le dimanche : de 6 22 h) ;- lindice final KBFTrest calcul sur une priode dvaluation Travec diffrentes expositions vibratoires (de dures Tej) :

- des priodes de repos peuvent tre prises en compte

(avec Te1temps dexposition hors priode de repos, et Te2temps dexposition pendant la priode de repos ;

- la norme donne des valeurs limites ne pas dpasser pourdiffrents types de btiment et avec sparation jour/nuit.

Cas de la Norvge : norme NS 8176 : 2005

Ce cas est intressant pour plusieurs raisons.

- la norme concerne les vibrations dans les btimentsgnres par les transports terrestres (le ferroviaire etles poids lourds suprieurs 3,5 t) et limites la bande0,5-160 Hz ;


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8 SpcialVibrationsdanslesbtiments Les rglementations, les normes et les rfrentiels concernant les vibrations et leur mesurage

- la grandeur de base est comme en Allemagne, unevaleur rms glissante (mais avec temps dintgration de1s, constante Slow) ; soit lacclration aw,rms(t), soit lavitesse vibratoire vw,rms(t) (mthode complmentaire #1de lISO 2631-1), pondres selon la norme ISO 2631-2:2003 (pondration w

m) peuvent tre utilises ; la courbe

de pondration en vitesse wm, correspondant la courbede pondration en acclration de lISO 2631-2 est donnen annexe D de la norme norvgienne (avec les valeurs en1/3 octave du filtre, donnes en linaire et en dB).- lindicateur final est calcul dune manire statistique :

- identification du maximum (vw,max,j) de la vitessepondre vw,rms,j(t) pour chaque passage jde train oupoids lourds - calcul de la valeur moyenne et de lcarttype des vw,max,j pour 15 passages - calcul dune valeur statistique maximum :

- la norme donne des valeurs limites pour les btimentsdhabitation exprimes soit en vitesse vw,95, soit en acc-lration aw,95 ; 4 classes de confort dcroissant sontutilises de A D ; la classe C correspond au minimumacceptable pour des btiments neufs (avec environ 15%de rsidents susceptibles dtre gns) et la classe D auminimum acceptable pour des btiments existants (avecenviron 25% de rsidents susceptibles dtre gns),permise uniquement si les cots damlioration pour passeren classe C sont prohibitifs.- noter l aspect galement probabiliste de la relation entreexposition vibratoire et effet sur les personnes commele schmatise la figure 1. Les courbes utilises ont ttablies partir dune enqute perceptive sur site grandechelle ; pour des raisons de cot, il semble que beau-coup de niveaux vibratoires aient t estims par calcul partir de points de rfrence mesurs.

Fig. 1 : Relation type entre exposition vibratoireet effet sur les personnes

Cas de la Suisse : Directive OFEFP (1999)

Cette directive concerne les vibrations gnres dans lesbtiments par le transport ferroviaire.Lvaluation des vibrations est effectue selon la DIN

4150-2 : 1999.

La Suisse est lun des rares pays considrer le bruit soli-dien ferroviaire avec les spcifications suivantes :

- valeurs limites donnes pour deux zones (habitations etmixtes), en sparant jour/nuit, et en sparant btimentsneufs et existants ;- indicateurs :

- de jour : Leq 16 h (6-22 h) en dB (A) - de nuit : Leq 1 h pour chaque heure nocturne de22 6 h et valeur max de ces huit valeurs horaires.

RemarquesLes seuils donns semblent hauts : exemple : Leq 1 h de25 dB(A) la nuit en habitation pour du neuf ; 4 passagesde train de 10 s avec des niveaux de passage denviron45 dB(A) satisfont lexigence (alors que le seuil des bruitsdquipement en France est de 30 dB(A)).Aucune rfrence nest faite une norme de mesure debruit et aucune recommandation nest donn sur sa mesure(alors que le bruit solidien ferroviaire est du bruit bassesfrquences en gnral en dessous de 100 Hz et quil peuttre combin avec du bruit arien, en par ticulier dans le

cas de voies ferres en surface)

Travaux en cours et perspectives

Ltude effectue par le CSTB pour le MEDDTL, donne enrfrence [1] a t effectue en 2007 et avait pour but defaire le point sur les cadres normatifs et rglementairesexistants concernant les vibrations. Depuis, le groupe denormalisation AFNOR S30MI a t mandat par le MEDDTLpour faire le point sur les indicateurs de bruit et de vibra-tions, les grouper par famille et surtout donner un avis surleur pertinence dcrire les effets du bruit et des vibra-tions sur les personnes. Ce travail est en cours ; notonsla difficult didentifier et analyser les tudes perceptivessur site et en laboratoire qui doivent montrer la pertinencede ces indicateurs. Certaines tudes perceptives nont

jamais t faites en France : par exemple les tudes rela-tives aux vibrations et bruits gnrs par les transportsferroviaires de surface. De toute faon, une rglementa-tion doit prendre en compte les spcificits des btimentset rsidents dun pays et il semble donc que des tudesperceptives doivent tre effectues.

Un projet europen sur 3 ans (projet RIVAS) vient dtreaccept par la CE et concerne les dispositifs dattnuationdes vibrations ferroviaires la source. Ce projet rassem-

ble certaines compagnies ferroviaires (SNCF, RATP, DB,SBB ), les constructeurs de vhicules (ALSTOM etBOMBARDIER inclus) et d infrastructures ferroviaires (len-treprise franaise SATEBA est partenaire), et des centresde recherche, dont le CSTB. Le rle du CSTB est, en ut ili-sant ce quil existe de mieux en Europe (9 pays partici-pent au projet), mais sans rien dvelopper, dexprimer lesperformances des dispositifs dvelopps dans le projeten termes de diminution des expositions vibratoire etsonore (bruit solidien) dans des btiments types (confi-gurations types sol, fondations, btiment, distance lavoie) et de diminution de la gne associe. On devrait doncdisposer la fin du projet dun outil oprationnel permet-tant de passer des niveaux vibratoires au sol en champlibre proche des voies ferres lexposition vibratoireet sonore des personnes dans des configurations typessol btiment ; cet outil sera, bien sr, prcieux pour lestudes dimpact.


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9SpcialVibrationsdanslesbtimentsLes rglementations, les normes et les rfrentiels concernant les vibrations et leur mesurage

Une autre action en cours est celle de la commissionAFNOR E90A dont lun des rles importants est de suivreles travaux du comit technique ISO/TC108 (Vibrationset chocs mcaniques), et en particulier les travaux dugroupe de travail ISO/TC108/SC2/WG8 relatif aux v ibra-tions et bruits ini tis au sol dus des lignes ferroviaires.Ce groupe a dj publi la norme 14 837-1 donnant desdirectives gnrales sur ce problme et devrait publierdans le futur des normes sur tous les aspects ncessai -res une tude dimpact ferroviaire : en particulier lesmodles de prdiction (partie 2), le mesurage (partie3), les critres dvaluation (partie 4) et les dispositifsdattnuation (partie 5). Le CSTB et la RATP sont (depuispeu) membres actifs de cette commission.Peu de choses ont t dites sur les vibrations de chan-tier, qui il est vrai, sont des sources non permanentes. Ilny a pas notre connaissance daction particulire surce sujet au niveau prnormatif qui aborderait laspect

perceptif et des aspects techniques tels que la prdictiondes niveaux dans les btiments environnants et la carac-trisation des sources (battage de pieux par exemple).

Rfrences bibliographiques[1] Elias P., Taillefer N., Villot M. et Weiss N., Protection contre les vibrationsenvironnementales, le cas franais , Etude CSTB pour le MEDDTL, 2007

[2] Norme NF E 90-020 : 2007, Vibrations et chocs mcaniques ; Mthodede mesurage et dvaluation des rponses des constructions, des matrielssensibles et des occupants

[3] Norme ISO 4866 : 1990, Vibrations et chocs mcaniques ; Vibrations desbtiments ; Lignes directrices pour le mesurage des vibrations et valuation deleurs effets sur les btiments

[4] Norme EN 15657-1 : 2009, Proprits acoustiques des lments de

construction et des btiments ; Mesurage en laboratoire des bruits ariens etstructuraux des quipements de btiment ; Partie 1 : Cas simplifi o la mobilitde lquipement est beaucoup plus leve que celle du rcepteur

[5] Norme EN 12354-5 : 2009, Acoustique du btiment ; Calcul de laperformance acoustique des btiments partir de la performance acoustiquedes lments ; Partie 5 : bruit mis par les installations et quipementstechniques

[6] Norme ISO 2631-1 : 1997, Vibrations et chocs mcaniques ; Evaluationde lexposition des individus des vibrations globales du corps ; Partie 1 :Spcifications gnrales

[7] Norme ISO 2631-2 : 2003, Vibrations et chocs mcaniques ; Evaluationde lexposition des individus des vibrations globales du corps ; Partie 2 :Vibrations dans les btiments (1 Hz 80 Hz)

[8] Standard BS 6472-1 : 2008, Guide to evaluation of human exposure tovibration in buildings ; Part 1 : V ibration sources other than blasting

[9] Standard DIN 4150-2 : 2001, (E) Structural vibration ; Part 2 : Human

exposure to vibration in buildings[10] Standard NS 8176 : 2005, (E) Vibration and shock ; Measurement ofvibration in buildings from land based transport and guidance to evaluation of itseffects on human beings

[11] Directive suisse OFEFP (Office Fdral de lEnvironnement) : 1999, Directivepour lvaluation des vibrations et du bruit solidien des installations de transportsur rails (EVBSR)

[12] Norme ISO 14837-1 : 2005, Vibrations mcaniques ; Vibrations et bruitsinitis au sol dus des lignes ferroviaires ; Partie 1 : Directives gnrales


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10 SpcialVibrationsdanslesbtiments

es vibrations et le bruit solidien dans les btimentscauss par le trafic ferroviaire sont un sujet de proccu-pation grandissant en termes dimpact environnemental.En effet, mme si leur nombre reste encore limit, deplus en plus de riverains se disent la fois exposer aubruit et aux vibrations. Bien que, contrairement au bruit,aucune lgislation nexiste limitant lexposition aux vibra-tions, RFF et la SNCF se sont associs pour lutter contrecette nuisance. Cependant, la recherche de solutions derduction est rendue trs complexe par la nature mmedu phnomne : les vibrations ressenties par le riveraindpendent de linteraction entre le vhicule et la voie pilo-te par le comportement dynamique de ces deux syst-mes, de la nature du sol/sous-sol et de sa propension propager certains types donde et du btiment lui-mme.Il ny a donc pas de solution polyvalente.

Les vibrations dues au passage des trains sont gnrespar linteraction dynamique voie/vhicule induite par lesirrgulari ts des surfaces de la roue et du rail en contact.

Le chargement dynamique de lessieu est transfr par lavoie au sol et gnre des ondes last iques dans le sol quiexcitent les btiments voisins via leurs fondations. Dans lagamme frquentielle allant de 1 Hz 80 Hz, ces vibrationssont perues tactilement (plancher qui vibre par exemple).En parallle, des frquences allant de 16 Hz 250 Hz, cesvibrations induisent du bruit basses frquences rayonnpar la structure du btiment (murs et planchers).

Que mesure-t-on et comment lanalyser ?

Les normes de mesure utilisesLa caractrisation des vibrations causes par un passagede train ncessite en premier lieu de les mesurer, par desacclromtres ou des gophones, puis de les analyserafin dinterprter les signaux mesurs (niveaux, contenutemporel et frquentiel) en fonction du ressenti humain.

Deux situations peuvent amener mesurer les niveauxvibratoires causs par un trafic ferroviaire :- Dans un contexte curatif : un ou plusieurs riverains se plai-gnent des vibrations, les mesures se feront dans le btimentvoire dans le logement mme des plaignants ; les acc-lromtres seront colls sur les murs et sur les dalles deplancher (la position donnant gnralement les plus fortsniveaux tant en milieu de dalle de plancher). En parallle,des microphones peuvent tre installs pour quantifier lebruit re-rayonn par la structure du btiment [1].- Dans un contexte prventif : une construction de lignenouvelle ou une construction dun btiment en bordure dunevoie existante sont envisages. Dans ce cas, les mesuresseffectueront en champ libre ; les acclromtres serontfixs au sol par lintermdiaire de piquets cruciformes plan-ts dans le sol ou de socles de pltre permettant dassu-rer que lacclromtre est bien solidaire du sol.

Une fois la mesure effectue, les enregistrements doiventtre analyss. La norme ISO NF 14837 se concentre spci -

fiquement sur les vibrations et bruits initis au sol dus des lignes ferroviaires. La premire partie qui concerneles principes gnraux a t homologue en avril 2006.Les parties suivantes qui englobent les modles prdict ifs,le mesurage, les critres dvaluation, les mesures datt-nuation et la gestion des actifs sont en cours dcriture.Plusieurs autres normes permettent danalyser les vibra-tions lies au trafic ferroviaire en fonction du ressenti dunepersonne expose dans un btiment. Nous en citerons deux :la norme ISO 2631 et la norme allemande DIN 4150.La norme ISO 2631 se base sur des mesures acclrom-triques dans le btiment (sur les murs et les planchers).Lindicateur (aw) rmspropos par cette norme est issu dessignaux dacclrations pondrs (selon le filtre proposdans [2]) et intgr sur le temps de passage du train pour lecas dune source ferroviaire. Cette norme indique, suivantcet indicateur, un seuil de perception des vibrations fix 66 dB (ref=5e-8m/s2).

Les vibrations causes par le trafic ferroviairede surface

Estelle BonginiSNCFDirection de linnovation etde la recherche physique du systme ferroviaire45, rue de Londres75379 PARIS CEDEX 8Tel : 01 53 42 23 56 (int 31 23 56)Fax : 01 53 42 97 84E-mail : [email protected]

Anne GuerreroRFF92, avenue de France75648 PARIS CEDEX 13Tl : 01 53 94 34 21E-mail : [email protected]

L


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11SpcialVibrationsdanslesbtimentsLes vibrations causes par le trafic ferroviaire de surface

La norme a llemande DIN 4150-2:1999, ddie aux v ibra-tions causes par le trafic ferroviaire, utilise comme indi -cateur de base le KBF(t) qui est une grandeur issue de lavitesse vibratoire. Les vitesses vibratoires sont mesuresdans les trois directions de lespace, pondres et filtrespar un filtre passe-haut (de frquence de coupure 5,6 Hz).Les vitesses ainsi obtenues sont notes KB(t) . La valeurefficace de ce signal, note KBF(t) est obtenue en int-grant KB(t) avec une constante dintgration courte,gale 125 ms.Ensuite, sur la base de KBF(t), deux indicateurs sont calcu-ls : une valeur limite sur la priode dexposition (jourou nuit), note KBFmax, et une moyenne KBFTr prenanten compte le trafic propre la ligne ferroviaire prochedu btiment. Le dtail de calcul de ces deux grandeursest donn dans [3]. Deux critres de validation peuventensuite tre appliqus ces deux indicateurs permettantde classer le btiment selon des zones doccupation types(zone industrielle, zone commerciale, zone rsidentielle

ou encore zone protge).

Ne disposant pas de normes propres pour les mesures enchamp libre, ces mmes normes sont utilises en notantque les valeurs des indicateurs obtenues sont indicativesmais pas reprsentatives (par exemple de la situation dansun potentiel futur btiment).

Quelques exemples chiffrsDans le cadre du projet Vibsol, trois campagnes de mesureont t ralises sur une Ligne Grande Vitesse (LGV), etune Ligne classique (LC) et sur une voie Classique suppor-tant la fois du trafic Fret et du trafic TER.En dehors de la campagne de mesure ddie aux spcifi-cits du trafic Fret et prsente dans la section suivante,les enregistrements au passage ont t raliss en confi-guration de champ libre (des acclromtres, solidairesdu sol via des piquets cruciformes plants dans le sol,taient distribus perpendiculairement la voie de 4 m 70 m de distance). Ces mesures ont montr quau-del de12 m de distance la voie, y compris pour des passages

300 km/h, les niveaux vibratoires en champ libre sonten de du seuil de perception de 66 dB tel que dfinipar la norme ISO 2631. Lindicateur awrmsde la norme ISO2631 atteint en moyenne 67 dB 8 m de la voie pourun passage de TGV 300 km/h et ce mme indicateurprsente une moyenne de 62 dB 12 m de la voie.Le mme type de conclusions a t dress sur la ligneclassique pour des trafics Fret (qui prsentent un awrmsmaximum de 67 dB 12 m 120 km/h), TER (qui prsen-tent un awrmsmaximum de 52 dB 12 m 150 km/h) etTGV (qui prsentent un awrmsmaximum de 65 dB 12 m 220km/h).Ces valeurs sont indicatives car la norme ISO 2631 a tdveloppe pour des mesures ralises dans un btiment.Un btiment va jouer le rle dun filtre sur les niveaux vibra-toires en amplifiant grandement la contribution vibratoiresur ses frquences propres de rsonance.

Spcificits du trafic Fret

Dans le cadre de la collaboration entre RFF et la SNCF,un projet PREDIT subventionn par lADEME et en colla-boration avec le CSTB et SATEBA a permis de caractri-ser les spcificits du trafic Fret sur les vibrations indui-tes dans le sol.

La figure 1, issue de [4], illustre les niveaux acclrom-triques selon la norme ISO 2631 enregistrs en milieu deplancher pour des passages de trains Fret sur la gauche etdes passages de trains voyageurs sur la droite. Les vites-ses typiques de ces 2 types de matriels taient diffren-tes car les mesures se sont effectues en entre de gareo seuls les trains Passagers sarrtaient. Ces mesures ontpermis de conclure qu vitesse de circulation quivalente,les niveaux awrmssont quivalents pour des circulations Fret ceux enregistrs pour des circulations TER. En termesde contenu spectral des acclrations mesures, les deuxtypes de circulation sont aussi quivalents.Pour expliquer un plus fort dsagrment des riverainsface aux vibrations engendres par le trafic Fret, il fautds lors peut-tre sintresser la signature temporel le

Fig. 1 : (aw)rmsnorme ISO 2631, acclrations mesures au centre de la dalle de plancher.Sur la gauche, moyennes de passages de trains Fret, sur la droite, passages de trains rgionaux.Niveaux (aw)rmspour chaque passage en trait plein noir, valeur moyenne en bleu et cart-type en rouge


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12 SpcialVibrationsdanslesbtiments Les vibrations causes par le trafic ferroviaire de surface

des acclrations : pour le passage de t rains Voyageurs,la signature prsente un niveau qui oscille trs peu aucours du temps alors que pour les trains Fret, cettemme signature prsente des pics trs levs. Ces picssynonymes de chocs pourraient tre une des causes dedsagrment accru au passage de tra ins Fret.

Par ailleurs, bien que le Fret, au vu de ces premiers rsul -tats, ne provoque pas des niveaux moyens de vibrationsplus levs que les autres types de matriels roulants, lalourde masse lessieu caractristique des wagons Fretdevra tre prise en compte lors de la recherche de solu-tion de rduction apportes sur la voie.

Comment expliquer ces niveaux vibratoires pourmieux les matriser ?

Approche phnomnologiques et modles analytiques

Le phnomne dexcitation (tape 1 figure 2) loriginedes vibrations transmises un btiment causes par lepassage dun train est dissociable en 2 catgories :

- leffort quasi-statique, caus par le dplacement dunecharge sur le 1/2espace infini que reprsente le systmevoie/sol ; cet effort excite le systme {voie + vhicule}(tape 2) principalement dans les trs basses frquencesentre 1 et 10/15 Hz.- leffort dynamique li aux irrgularits des surfaces decontact de la roue et du rail, aussi appeles rugosits.Ces irrgularits sont de lordre de quelques millimtres

damplitude. Les longueurs donde des rugosits pilotantles ondes dans le sol vont de quelques centimtres quel-ques mtres, selon la vitesse de passage du train. Ceteffort excite le systme {voie + vhicule} (tape 2) auxmoyennes frquences, entre 15 Hz et 200 Hz.A ces 2 phnomnes dexcitation viennent sajouter les

efforts au passage de points singuliers comme des aiguilla-ges ou des joints de rail qui impliquent une force trans-mise au sol de type choc impactant (quivalent un effortexcitant une trs large gamme frquentielle).Ces efforts, gnrs au contact roue/rail, se transmet-tent via linterface entre la voie et le sol (tape 3), crantdes ondes dans le sol environnant.

Les paramtres influant sur les niveaux vibratoires enchamp libre ou dans un btiment sont ainsi :

- au niveau du vhicule, ltat de surface des roues, la massenon suspendue et la masse suspendue (isole par les suspen-

sions primaires et secondaires au-del de 10 Hz) ;- au niveau de la voie, ltat de surface du rail ; la rponsedynamique de la voie pilote par le comportement dyna-mique de ses diffrents lments constitutifs (rail, semellesous rail, traverse, ballast et plate-forme) ;- au niveau du sol, la rponse dynamique du sol autrementdit la propagation des ondes (tape 5 de la figure 2). Lesondes les plus dommageables dans le contexte ferroviairesont les ondes de Rayleigh : ces ondes de surface nedcroissant quen 1/r(rtant la distance entre la source etle rcepteur) portent donc le maximum dnergie moyenneet longue distance ;

Fig. 2 : Phnomnes en jeu dans les vibrations dues au trafic ferroviaire


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13SpcialVibrationsdanslesbtimentsLes vibrations causes par le trafic ferroviaire de surface

- au niveau du btiment (tape 6 de la figure 2), son compor-tement vibratoire pilot par lpaisseur et la nature de sesparois/planchers/fondations.Face un tel degr de complexit, lapproche numriqueparat tre parfaitement adapte pour optimiser des solu-tions de rduction.

Modlisations numriquesDes approches numriques ont t dveloppes pourprdire et mieux apprhender les vibrations transmisespar le sol. Ces approches sont bases sur une modli-sation par lments de frontires du demi-espace repr-sentant le sol.

Ces modles ont t adapts pour le cas ferroviaire :

- partir de modle BEM 3D (boundary element model/lments de frontire) pour modliser la propagation desondes dans le sol, la priodicit longitudinale de la voie

permet de passer des modles dits 2,5D. En effet, ensupposant le systme invariant dans la direction longitudi-nale de la voie y, la propagation des ondes dans le systmeest estime par une approche BEM pour une tranche de lavoie, pour chaque nombre donde kyet la rponse totaleest recompose par transforme de Fourier inverse enespace, en sommant sur les ky;- la rugosit est dcompose sur la base des ky;- la voie est reprsente par un ensemble de systmesmasses/ressorts/amortisseurs coupl au sol. Une mod-lisation par lments finis de la plate-forme (couches das-sise de la voie) peut aussi tre envisage ;

- le comportement vibratoire du btiment peut tre pris encompte par un modle lments finis du btiment, couplau sol via ses fondations.Ces modles permettent destimer les vibrations dues autrafic ferroviaire. Pour obtenir une modlisation pertinente,il faut caractriser un grand nombre de paramtres pilo -tant les rponses dynamiques des diffrents systmes :voie-sol-btiment.

Fig. 3 : Mesures sur site : gauche, charge impulsionnelle parimpact de marteau pour une caractrisation de sol par

mthode MASW, au centre, distribution dacclromtresen champ libre pour une caractrisation de sol parmthode MASW, droite, charge impulsionnelle surle rail pour une mesure de rceptance de voie

Ainsi, pour dterminer le comportement du sol, les vites-ses de propagation des ondes dans le sol sont mesu-res par mthode MASW (figure 3, photographies degauche et du centre). Le sol est excit via une chargeimpulsionnelle (chocs de marteau par exemple) et lesniveaux acclromtriques sont mesurs diffrentesdistances du point dimpact.

Fig. 4 : Comparaison de signaux temporels (a), (b) et (c), et de spectres 1/3 doctave (d), (e) et (f), mesurs (en noir) ou simuls (engris) en champ libre, dif frentes distances de la voie (12 m, 32 m et 56 m respectivement), passage dun TGVA 200 km/h


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14 SpcialVibrationsdanslesbtiments Les vibrations causes par le trafic ferroviaire de surface

Cela permet de dterminer la stratification du sol et lavitesse de propagation de londe de cisaillement danschaque strate. Il faut noter que les valeurs de ces para-mtres dpendent compltement du modle numriqueutilis pour les optimiser.

Selon le mme principe, les paramtres dynamiquesde la voie sont estims par des mesures de rceptan-ces de voie (figure 3, droite) : le choc est cette foisimpos sur le champignon du rail et les acclrationssont mesures dans la direction transverse la voie.Les paramtres de la voie sont alors optimiss, en utili-sant un modle numrique pour reprsenter la voie, desorte que les acclrances simules correspondent auxacclrances mesures.

Si lensemble de ces paramtres est caractris, les simu-lations numriques fournissent des niveaux vibratoirescohrents avec les mesures sur site. Dans le cas illustr

par la figure 4 (page prcdente) [5], bien que les niveauxestims par simulation soient trop faibles par rapport auxniveaux mesurs, le contenu spectral est respect : lemodle correspondant peut donc tre utilis pour obte-nir des niveaux relatifs et donc estimer limpact de solu-tions places sur la voie pour rduire les niveaux vibratoi-res en champ libre ou en btiment.

Comment agir ? les solutions de rduction

Les solutions de rduction peuvent tre envisages endiffrents points sur le chemin de propagation :

- Au niveau mme de lexcitation, le meulage du rail permetde rduire les irrgularits de surface et ainsi de rduireleffort dinteraction. Cependant, les longueurs donde derugosit en jeu stendent de quelques centimtres quel -ques mtres (3 m pour une vitesse de circulation gale 100 km/h) : des dfauts de surface de l ordre du mtrede longueur donde relvent davantage dopration de rel-vement de la voie que de meulage.- Au niveau du vhicule, le maintien dun bon tat de sur facedes roues permettrait de rduire la rugosit combine.Par ailleurs, des travaux de recherche sont en cours afindoptimiser les suspensions primaires (lien entre essieuet bogie) et secondaires (lien entre bogie et caisse) pour

rduire leffort dinteraction roue/rail en jouant sur lasouplesse du vhicule.- Au niveau de la rponse dynamique de la voie, linser-tion de couches rsilientes comme des semelles sous railadaptes au problme des vibrations, des semelles soustraverses ou un tapis rsilient sous ballast permet tent la fois dagir sur la mobilit en champ libre (rapport entrelexcitation du rail et les niveaux vibratoires en champ libre)mais aussi sur leffort dinteraction roue/rail (pilot par lacombinaison des souplesses de la voie et du vhicule avecla rugosit). Aujourdhui, seul le tapis sous ballast, figure 5,est efficace face aux vibrations trs basse frquence (endessous de 30 Hz).- Au niveau du chemin de propagation, des solutions detypes tranches ou un mur enterr (afin dassurer unerupture dimpdance entre le sol et cet te tranche), entrela voie et le btiment peuvent tre envisages.

Fig. 5 : Pose dun tapis sous ballast lors dunrenouvellement complet dune voie

- Au niveau du btiment, les techniques sont les mmesque celles mises en uvre pour des sollicitations detype sismiques : il faut isoler les fondations des bti-ments. Cependant, le domaine defficacit de ces isola-tions nest pas le mme que pour des sollicitations sismi-ques : dans le cas dune sollicitation ferroviaire, lesfrquences de vibrat ion sont plus leves et les niveauxbien moindres.

Conclusion

Les vibrat ions dans le sol jouent un rle grandissant danslempreinte environnementale du transport ferroviaire desurface. RFF et la SNCF ont conjointement men des travauxde recherche afin de cerner lensemble des phnomnesen jeu. Face une problmatique o chaque configura-tion est unique (fonction de la voie, des vhicules, du solet du btiment), il a fallu, plus que de chercher une solu-tion universelle, dvelopper une mthodologie permet-tant de proposer des solutions adaptes chaque cas.Pour ce faire, des mthodes de caractrisation du sol etde la voie ont t testes et la pertinence dune appro-che numrique a t valide. Dans les 3 annes venir, leprojet europen RIVAS (7e PCRD) va permettre de mettreen uvre cette mthodologie et de tester en ligne dessolutions ainsi obtenues.

Rfrences bibliographiques

[1] Villot M., CSTB, Les rglementations, les normes et les rfrentielsconcernant les vibrations et leur mesurage, Acoustique et Techniques 64, 2011

[2] Norme ISO 2631-1 :1997 : Vibrations et chocs mcaniques, valuationde lexposition des individus des vibrations globales du corps Partie 1 :Spcifications gnrales

[3] Norme allemande DIN 4150-2 (juin 1999) : Structural vibration - Part 2:Human exposure to vibration in buildings

[4] Bongini E., Guigou C., Petit , Poisson F., Ropars P., Villot M., Specificitiesof ground vibrations induced by freight traffic, from the track to a building,International Workshop on Railway Noise 2010, Nagahama, Japan

[5] Lombaert, Degrande G., Galvin, Bongini E., Poisson F., A comparison of

predicted and measured ground vibrations due to high speed, passenger, andfreight trains, International Workshop on Railway Noise 2010, Nagahama, Japan


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Contexte

La RATP rpond chaque anne un grand nombre deplaintes de riverains (figure 1). Marginal, dans les annes60/70, un accroissement significatif est apparu dans lesannes 80/90. Cette augmentation na pas pour origineune dgradation importante de la qualit des infrastruc-tures mais, elle traduit plutt la variation de la sensibi-lit des riverains (multi-exposition, cumul des niveaux aucours dune journe, effet socio-culturel, dgradation ducadre de vie, etc).

Ce constat qualitatif est, de plus, renforc par le fait queles gabarits-enveloppes des niveaux vibratoires (mini-maxi)et de bruits rmis, relevs depuis une quarantaine dan-nes dans les appartements des riverains habitant le longdes voies RATP, prsentent un cart important de plus de30 dB qui illustre bien le caractre subjectif de la plainteet la nature diverse des conditions environnementales enurbain dense (nature du bti, fondations, cavits, etc). Lesplaintes ne rsultent donc pas dun dpassement dun seuillimite admissible, scientifiquement tabli, mais de laggra-vation dune situation juge jusque-l supportable parle riverain.

valuation et modlisationde la propagation vibratoire dans plusieurs

immeubles dhabitationCas particulier du remplacement dun appareil de voie

Rsum

La procdure de traitement des plaintes lies aux bruits et vibrations gnrs par les

matriels roulants ferrs de la RATP est prsente. A titre dexemple, le cas particulier

dun appareil de voie en tunnel provoquant des vibrations dans les btiments est

prsent. Des mesures ralises avant et aprs son remplacement sont dtailles.

Les mesures sont compares une approche simplifie de propagation vibratoire

dans les structures.

AbstractRATP procedure to handle complains about noise and vibrations from rolling stocks

is presented. As an example, a case of vibrations in building caused by points and

crossing in tunnel is presented. Measurements performed before and after its

replacement are analyzed. These measures are compared to a simplified approach

dedicated to vibration propagation in buildings.

Guillaume Coquel, Corinne FillolRATPDlgation gnrale linnovationet au dveloppement durable54, quai de la Rape75990 Paris CEDEX 12E-mail : [email protected]@ratp.fr

Fig. 1 : volution du nombre de plaintes reues par la RATP concernant le rseau ferr


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16 SpcialVibrationsdanslesbtiments valuation et modlisation de la propagation vibratoire dans plusieurs immeubles dhabitation

Lanalyse multicritre de la nature des plaintes permetdidentifier que 95% de celles-ci rvlent une anomaliede la voie et conduisent une opration de meulage quisupprime la cause daggravation de la situation jugejusque-l supportable par le plaignant. Les 5% restantsfont lobjet de mesures, au domicile, permettant de jugerde la gravit de la situation en comparant les valeurs rele-ves aux gabarits-enveloppes pr-cits.Elle montre aussi quen moyenne 45% des plaintes sontrelatives aux lignes de RER, 54% au mtro et 1% au tram-way [1] ; leur rpartition tant fortement corrle la naturedu rseau savoir 86% des plaintes dorigine solidiennemanent du mtro et 36% des plaintes dorigine ariennedu RER. La premire cause de dclenchement dune plainte,tous modes confondus, est lusure ondulatoire de la table deroulement du rail. Viennent ensuite les chocs sur des jointset le passage dappareil de voie puis tout problme li aubruit de roulement hors dfaut signal ci-contre.

Une attention part iculire est donc apporte, par la RATP, chaque rclamation qui entrane systmatiquement uneenqute technique, une rponse personnalise (objectif dedlai de rponse : 21 jours) et des travaux si ncessaire.Outre le meulage prventif et l initiative de la RATP dinstallersystmatiquement, depuis quelques annes, un tapis anti-vibratoire sous le ballast quand celui -ci est remplac, desplaintes de riverains subsistent pour lesquelles les solutionsclassiques de rsorption ne sont pas assez pertinentes.La RATP sest donc implique dans plusieurs programmesde recherche (CONVURT [2], TURNOUT, thse CIFRE enpartenariat avec le CSTB ou RIVAS pour les plus rcents)pour apprhender toute la chane de propagation vibra-toire comprenant le tunnel ou la plateforme de tramway,la transmission dans le sol, le couplage sol-structure, lapropagation dans le btiment ainsi que le rayonnementacoustique dans les appartements afin doptimiser entermes technique et conomique les solutions curativeset dornavant prventives lors de la construction d infras-tructures nouvelles.

Ainsi, cet article synthtise dans le cas particulier duremplacement dun appareil de voie sur une ligne de RER,la mthodologie utilise par la RATP (mesures, modlehybride, etc) pour valuer limpact de son remplacementdans divers immeubles riverains en termes de vibration

et de propagation du bruit solidien.

Caractrisation du site exprimental etdescription dune approche thorique de calculde propagation dans la structure

Suite de nombreuses plaintes de riverains au droit dunappareil de voie mettant en vidence, outre des meulagesprventifs semestriels et des nettoyages manuels, desrmissions solidiennes diffremment perues selon lepositionnement des btiments riverains, des tages, desinteractions avec les rseaux de conduits souterrains,etc, la RATP a entrepris plusieurs campagnes de mesura-ges (avant/aprs meulage, tude structure de fondations,identification de liaisons rigides, avant/aprs remplace-ment dappareils de voie, etc) dans 6 logements de 4 bti-ments diffrents.

Seules les mesures ralises avant et aprs le remplace-ment dun appareil de voie au droit des plus proches rive-rains sont prsentes dans cet article (figure 2). Ainsi,chaque campagne de mesurage comprenait des mesu-res vibratoires en tunnel et au pied des btiments ainsique des mesures acoustiques et vibratoires dans les

appartements.

Fig. 2 : Position des immeubles et des logementspar rapport lappareil de voie

Dans le tunnel, les mesures ont t ralises, systmati-quement, en continu, durant une semaine et par dclenche-ment sur seuil. Les points de mesures taient positionns 2 m du cur de lappareil de voie. Trois acclrom-tres ont t positionns pour la direction transversale surle champignon du rail, pour la direction verticale sous lepatin du rail et pour la direction radiale sur le pidroit dutunnel (figure 3).

Fig. 3 : Configuration des points de mesure

Au pied de limmeuble et chez les riverains, les mesu-res de vibrations ont t ralises en trois axes au droitdun lment porteur, compltes chez le riverain, par unpoint acoustique plac 1,6 m de hauteur, au tiers dela diagonale de la pice.

Le protocole utilis pour cette campagne de mesures apermis de calculer les attnuations vibratoires dans lastructure des btiments viss par le remplacement delappareil de voie.


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17SpcialVibrationsdanslesbtimentsvaluation et modlisation de la propagation vibratoire dans plusieurs immeubles dhabitation

Dans la perspective de prdire les niveaux vibratoiresdans la structure des btiments, une approche analyti-que prsente par Hassan [3] reposant sur une modlisa-tion des vibrations dans les lments porteurs par ondeset sur la diffusion dnergie dans les planchers chaquetage a t programme en langage Scilab [4].

Cette mthode est trs rapide (15 s de 1 1 150 Hz) etpermet de prendre en compte un nombre important dta-ges (teste jusqu 50 tages).

Comparaison modlisation-mesures in situaprsremplacement de lappareil de voie

Gain la sourceDune manire gnrale, les mesures dans le tunnel ontmontr une trs bonne stabil it de la source vibratoire avantet aprs le remplacement de lappareil de voie puisque les

cart-types sur les niveaux dacclrations mesurs dansle tunnel varient de 0,5 2,0 dB en fonction de la direction(vitesse de circulation, cycle de maintenance des rames).

Une attnuation nette des v ibrations horizontales et verti-cales sur le rail de -5 -15 dB aprs le changement de lap-pareil de voie est aussi mesure entre 31,5 et 1 600 Hz(figure 4).

Gain au pied des btimentsLa figure 5 illustre lattnuation de 5 15 dB rpercute aupied du btiment entre 20 et 100 Hz quel que soit limmeuble.Lamplification des vibrations dans la gamme 125-160 Hz pourlimmeuble D est due la faible mergence des vibrationsaprs le changement de lappareil de voie dans cette gammede frquence. Au vu de ces rsultats, lefficacit prvisibledu remplacement de lappareil de voie est vrifie.

Fig. 4 : Diffrences de niveaux mesurs sur le rail avantet aprs remplacement de lappareil de voie

Fig. 5 : Gain en termes de niveaux de vitesse vibratoire mesure au pied de bti et dans les logements dans les quatre immeubles


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Fig. 6 : Propagation vibratoire dans les immeubles. Diffrence avant emplacement, aprsremplacement et modle thorique sur murs porteurs puis colonnes porteuses.


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19SpcialVibrationsdanslesbtimentsvaluation et modlisation de la propagation vibratoire dans plusieurs immeubles dhabitation

Validation de lapproche simplifie de propagationdans les btiments

Il a donc t possible de calculer lattnuation vibratoiredans la structure des btiments partir des vibrationsmesures au rez-de-chausse. Cette attnuation a tcompare une mthode de calcul base sur lapprochesimplifie dcrite plus haut.Les proprits des matriaux util iss dans le code de calculsont prsentes dans le tableau 1. Les immeubles modli -ss ont tous 7 tages (plus un sous-sol). Ils ont t mod-liss chaque fois soit en prenant lhypothse de colon-nes porteuses (btiment Haussmannien), soit en prenantlhypothse de murs porteurs (structure de bton). Dansle cas de limmeuble murs porteurs, les voiles de btonet les planchers sont constitus de bton et ont la mmepaisseur. Dans le cas des colonnes porteuses, le plan-cher est suppos lger. Dans les deux cas, le sol reprendles proprits classiques dun sol souple.

La figure 6 ci-contre montre que les fonctions de trans-fert sont dif frentes lorsquelles sont mesures avant etaprs le changement de lappareil de voie. Cependant,malgr ces diffrences damplitudes, les enveloppes descourbes sont semblables. Le modle de colonnes porteu-ses semble toujours surestimer lattnuation dans lastructure du btiment. Au contraire, le modle de propa-gation sur murs porteurs donne des rsultats plus coh-rents. Loin de reflter la ralit de la propagation relle

dans le btiment, il permet d estimer lordre de grandeurde la dcroissance des vibrations se propageant dans unlment vertical du btiment.

Daprs la figure 6 et le tableau 2, lapproche simplifiedonne des rsultats cohrents en termes de fonctionsde transfert dans les btiments. Les tendances sontrespectes mme si des comportements modaux prvuspar le code napparaissent pas sur les mesures. Bienque cette variation soit observe, les niveaux globauxmesurs et calculs avant et aprs le remplacementde lappareil de voie sont valus dans une plage de0 5 dB, except le logement 3 pour lequel les fonc-tions de transfert mesures avant et aprs le rempla-cement de lappareil de voie ne sont pas semblablesen termes damplitude. Cet te diffrence na pas pu treexplique malgr une vrification de tous les param-tres mtrologiques.

Pour statuer sur les premires tendances, il est noterque les deux approches sont systmatiquement calcules

lorsque les typologies et les caractristiques prcises desbtiments ne sont clairement identifies avant lutilisationde codes plus complexes.

AVANT REMPLACEMENT APRES REMPLACEMENT

MURS COLONNES MURS COLONNES

Logement 1 2,5 0,7 1,5 4,3

Logement 2 8,6 2,6 4,8 6,1

Logement 3 6,6 13,4 13,4 20,1

Logement 4 4,9 1,8 1,8 2,3

Logement 5 2,0 1,2 3,3 7,3

Logement 6 1,7 4,7 0,1 6,9

Tabl. 2 : Ecarts entre gains globaux mesurs et calculs par lesdeux mthodes de calcul pour chacun des logements

Gain dans les logementsLes mesures dans les logements sont galement prsentessur la figure 5, page 7. Elles montrent que lattnuation estplus importante pour les immeubles C et D (tous deux situs proximit de laiguille 2) que pour limmeuble A. Ce constatest conserv sur les mesures de bruit solidien (Figure 7).

Fig. 7 : Gain acoustique dans les logements suiteau remplacement de lappareil de voie

Proprits Physiques Modle murs Modle Colonne

Dnomination Unit murs sol colonne plancher sol

Module dYoung Mpa 28 000 50 12 000 50Coefficient de Poisson - 0,2 0,25 0,1 0,25

Masse volumique kg/m3

2 400 1 500 610 1 500Pertes apparentes - 0,02 0,02Hauteur dun tage m 3 3Epaisseur desmurs/planchers

m 0,2 0,15

Diamtre de la colonne m 0,16Longueur de limmeuble m 30

Tabl. 1 : Proprits physiques des matriaux utiliss dans les modles [5]


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Pour synthtiser, le tableau 3 rcapitule les at tnuationsglobales mesures dans les divers logements. Il montreque tous les logements ont bnfici dune rductionacoustique ou vibratoire. Dans le cas de limmeuble A,il est difficile de se prononcer sur la relation de cause effet entre le changement de lappareil de voie et la rduc-tion des nuisances car lefficacit vibratoire est gale 0en valeur globale. Pour les autres logements, la rduc-tion acoustique ne suit pas une loi proportionnelle avecla rduction vibratoire.

Conclusion

Les premires pierres ont t poses par le dveloppementen interne doutils de prdiction temps de calcul rduit,capable, par exemple dvaluer la propagation vibratoiredans un btiment ou prdire les modes propres de locauxdhabitation et de calculer les niveaux de bruits rmis.Ces outils constituent un moyen idal dexprimentationet de sensibilisation de la matrise douvrage, des architec-tes ou des concepteurs. Cependant, pour des cas comple-xes, comprenant des sources loignes, des caractris-tiques de sols mal connues, des interactions avec desconduites souterraines ou autres liaisons rigides, etc,

la RATP poursuit ses efforts dans le dveloppement demodles mixtes permettant des approches macro (pri-mtre dun quartier) et des approches micro (un btimentet quelques dizaines de mtre autour), mais aussi dansla constitution de bases de donnes sur la propagationvibratoire en sols complexes et en interaction sol/struc-ture. De mme, la RATP travaille sur lamlioration desmthodes de caractrisation des sols ainsi que du bti-ment par des mthodes passives qui pourraient permet-tre dobtenir des proprits v ibratoires plus prcises envitant les mthodes intrusives.

Rfrences bibliographiques

[1] RATP / CML, Les statistiques annuelles , 2010

[2] http://www-g.eng.cam.ac.uk/convurt/

[3] HAassan O. A. B., Train-Induced Groundborne Vibration and Noise inBuildings, Multi-Science Publishing Co. Ltd. 2006

[4] Scilab 5.3.0 - Logiciel libre et gratuit diffus sous Licence CeCILL etdvelopp par le Consortium Scilab - Digiteo. http://www.scilab.org

[5] Lesueur C., Rayonnement acoustique des structures. Eyrolles 1988.

Tabl. 3 : Gains en termes de pression acoustique et de vitesse vibratoire globale [dB] dans chacun des logements tudis


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Le contexte des chantiers

Les chantiers de construction, du fait de lutilisation den-gins, de machines ou de procds sources de vibrations,peuvent tre lorigine de nuisances dans lenvironne-ment, mais galement prsenter des risques de domma-

ges sur les structures.

Une des difficults majeures dans la gestion des chantiersde construction est que les sources vibratoires ainsi que lesprocds voluent en fonction de lavancement du chantier :un chantier est par nature en volution permanente ; ce quirend complexe la matrise des risques vibratoires.

La seconde difficult est lie la prdiction des impactsvibratoires. Celle-ci ncessite la construction de mod-les prvisionnels (ex : modles lments finis) ainsi quela connaissance des paramtres dentre (missionsvibratoires, caractrisation du sol, des interactions sols/structure, etc.). Seule une bonne connaissance de toutela chane Source-Propagation solidienne-Interaction sol/structure-Propagation dans les structures permettrades valuations fiables, et donc une meilleure matrisedu risque v ibratoire.

Nous allons par la suite illustrer par quelques exemplesla diversit des sources vibratoires rencontres sur leschantiers, puis proposer une mthode de caractrisation,permettant de capitaliser des donnes dmission, utilisa-bles par la suite dans les modles de prdiction.

Diversit des sources vibratoiressur les chantiers

Une grande diversit dmissions vibratoires peut trerencontre sur les chantiers. Ces sources peuvent globa-lement tre classes en diffrentes catgories :- les machines mettant des vibrations entretenues (ex :vibrofonage, foreuse, tunnelier) ;- les sources mettant des impulsions interva lles plusou moins courts (ex : brise roche hydraulique, battage depieux, battage de palplanches) ;- les tirs dexplosifs, qui sont considrer comme unecatgorie spcifique.

A titre dillustration, quelques exemples de sources vibra -toires et leurs signaux temporels correspondants sontdonnes dans les figures 1 4.

La diversit des sources vibratoires :les vibrations lies aux engins de chantier

Rsum

Les chantiers de construction sont potentiellement sources de nuisances ou de risques

vibratoires dans lenvironnement. Le but de cet article est de prsenter les spcificits

lies aux chantiers (diversit des sources vibratoires), ainsi que les principales

difficults qui en dcoulent, notamment en termes de connaissance des missions

vibratoires. Une mthode de caractrisation des sources vibratoires, adapte au

contexte des chantiers, sera finalement propose.

AbstractConstruction sites can potentially be sources of nuisance or vibratory risks in the

environment. The aim of this article is to present construction site specificity regarding,

for example, vibration source diversity, as well as the main difficulties which can result

due to the difficulty to identify the vibration spread. Finally, a method to characterise

vibration sources, adapted to construction sites, will be proposed.

Alexis BigotSolData Acoustic,Parc de lIle21, rue du Port92022 Nanterre CEDEXTl : 01 55 17 00 57E-mail : [email protected]

Mansour Lassoued

Europenne de GophysiqueParc de lIle21, rue du Port92022 Nanterre CEDEXTl : 01 41 44 46 40E-mail : [email protected]


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22 SpcialVibrationsdanslesbtiments La diversit des sources vibratoires : les vibrations lies aux engins de chantier

Fig. 1 : Exemple de source vibratoire : pelleteuse quipe dun BRH (vitesse particulaire)

Fig. 2 : Exemple de source vibratoire : battage de palplanches (vitesse particulaire)

Fig. 3 : Exemple de source vibratoire : construction dune tranche (vitesse particulaire)

Fig. 4 : Exemple de source vibratoire : construction de colonne ballaste (vitesse particulaire)


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23SpcialVibrationsdanslesbtimentsLa diversit des sources vibratoires : les vibrations lies aux engins de chantier

Les risques induits par les vibrations

En termes de vibrations, le risque potentiel pour les struc-tures est gnralement considr partir de 2 mm/s(valeur la plus stricte issue de la circulaire du 23 juillet1986, utilise usuellement pour les chantiers). Cette

valeur dpend toutefois du type de vibration, du type deconstruction, et des frquences considres.

En termes de gne potentielle ressentie par les rive-rains, les vibrations sont gnralement perceptibles parle corps humain partir dun seuil beaucoup plus faible,de lordre de 0,1 mm/s (seuil de perception).

Les vibrations engendrent galement des missionssonores par rayonnement des parois lintrieur deslogements (bruit solidien). Une gne acoustique estgnralement ressentie avant mme que la vibration nesoit perue, ds que la vitesse particulaire est de lor-

dre de 0,05 mm/s.

La confrontation de ces diffrents seuils est reprsen-te sur la figure 5.

Fig. 5 : Echelle indicative de reprsentationdes risques vibratoires potentiels sur lesstructures et sur la gne ressentie

Les ondes sismiques (vibrations) gnrent des dplace-ments de structures qui peuvent tre destructifs si lesniveaux sont trop levs. Les recommandations en termesde disposition des capteurs de vibrations sont gnrale-ment les suivantes :

- Placer les capteurs sur les lments de fondation dubtiment,- Sassurer que les capteurs sont solidaires de la structure(fixation au pltre ou visse sur une platine),- Orienter les capteurs afin de pouvoir analyser les diff-rentes composantes des vibrations enregistres (Cf.

fig. 7).

Fig. 7 : Exemple de signal vibratoire suivant les 3 directions(X,Y,Z) avec corrlation avec un capteur acoustique.

Les signaux sismiques acquis en surface se prsententgnralement sous forme dune onde dite de compres-sion, puis dune onde de surface, plus lente, et plus bassefrquence.

Fig. 8 : Signal montrant les trois composantes dun vnementvibratoire avec onde de compression et onde surface

Les signaux vibratoires et leurs diffrentes composantes


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24 SpcialVibrationsdanslesbtiments

Les besoins en termes de caractrisationdes sources vibratoires

Si lon fait le parallle avec lacoustique, domaine danslequel les fournisseurs ont lobligation dafficher la puis-sance acoustique mise par leurs machines (directive

Machines 2006/42/CE), les exigences en vibrationssont essentiellement concentres sur les missions vibra-toires transmises au corps humain (exposition des salaris).

Il est beaucoup plus rare de trouver, dans le domainepublic, des donnes correspondant des missions dansle sol ou les structures.

Il y a donc un besoin fort de pouvoir disposer de biblioth-ques de donnes dmission, tant pour les entreprises deconstruction (pour la matrise de leurs missions vibra-toires dans lenvironnement) que pour les scientifiqueset bureaux dtudes (pour utilisation dans leurs mod-

les prvisionnels). Ces besoins dpassent videmmentle cadre national, et se font galement sentir sur de groschantiers linternational.

Il faut donc pouvoir disposer de mthodes de mesu-rage permettant de caractriser les sources vibra-toires, adaptes au contexte des chantiers, sachantque ces mesures devront permettre de rpondre auxbesoins suivants :

- Les mesures vibratoires doivent pouvoir prendre encompte les diffrents modes opratoires lis aux spcifi-cits et modes dutilisation des machines.

- Les rsultats de mesures doivent pouvoir tre incor-pors dans les modles numriques de propagationdes vibrations.- En parallle aux mesures vibratoires, il est ncessairede mesurer les caractristiques dynamiques du sol.En effet, les caractristiques du sol ont un impact sur lapropagation des vibrations, et plus particulirement surleur attnuation en fonction de la distance, voire mme surlmission vibratoire elle-mme. On ne peut donc pas disso-cier la source vibratoire du milieu dans lequel il opre.

Nous proposons donc ci-aprs une mthode de caract-risation des sources vibratoires. Il sagit de la mthodecross-hole, qui, couple avec des mesures vibratoiressur un terrain dessai, permet de caractriser la sourceet le milieu de propagation.

Une mthode de caractrisation de source

vibratoire avec la mthode cross-holeLa mthode cross-hole (norme ASTM D4428) permet dedterminer les caractristiques dynamiques des terrainsen place (modules dlasticit E et G).

Elle consiste mesurer les temps de propagation don-des sismiques entre un forage metteur et un foragercepteur, et de dduire, partir des ondes de compres-sions (onde P) et des ondes de cisaillement (onde S),les modules dYoung (E) et de cisaillement (G). Les distan-ces entre forages qui servent aux calculs des vitesses sontmesures laide dune sonde inclinomtrique.

La diversit des sources vibratoires : les vibrations lies aux engins de chantier

Fig. 11 : Exemple de signal reu sur la sonde rceptrice


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25SpcialVibrationsdanslesbtimentsLa diversit des sources vibratoires : les vibrations lies aux engins de chantier

Fig. 10 : Principe des mesures cross-hole (Norme ASTM D-4428)

La figure 11 ci-dessous montre un exemple de signalenregistr sur la sonde rceptrice tridirectionnelle

(1 capteur vertical et 2 capteurs horizontaux).

Londe de cisaillement est gnralement bien visible lors-que sa vitesse de propagation est faible (comportementbasse frquence caractristique).

En parallle aux essais cross-hole, des essais v ibratoiressont raliss sur la machine caractriser. Des capteursvibratoires (gophones) sont positionns dans le sol dif f-rentes distances de la machine (ex : 4 m, 8 m, 16 m, 32 m).Les tests sont raliss pour diffrents modes de fonction-nement et/ou modes opratoires, et le cas chant, pourdiffrentes profondeurs de travail dans le sol.

Ces mesures de dcroissances vibratoires, associesaux mesures des caractristiques du sol, permettentainsi de caractriser compltement les missions vibra-toires dune machine, et ce, pour diffrentes conditions defonctionnement. Les rsultats peuvent ensuite tre utili-ss comme donnes dentre dans des modles prvi-sionnels, par un simple recalage du modle source / solavec les mesures effectues.

Perspectives

Comment matriser les effets si lon ne mat rise pas lescauses ? Dmocrite, au Vme s. av. J.C., exprimait djque cause et effet doivent tre dfinis sur le mme planLa matrise des nuisances et des risques vibratoires passedonc ncessairement par lapprofondissement de nosconnaissances en termes dmissions vibratoires, notam-ment pour le cas de chantiers, domaine o lon peut trou-

ver un nombre trs important de configurations et dqui-pements diffrents.

Dans lattente dvolutions rglementaires allant en cesens, des besoins se font sentir en termes de fourniturede donnes dmission fiables. Llaboration de biblio-thques ou de bases de donnes dmission pourraittre une perspective davenir utile pour amliorer lamatrise des risques et rduire les nuisances vibratoires.Des travaux de collaboration entre fournisseurs, entre-preneurs et scientifiques seront probablement nces-saires pour mettre disposition des mthodologies etdes donnes.

Fig. 12 : Exemple de prsentation de rsultats de mesures cross-hole


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26 SpcialVibrationsdanslesbtiments La diversit des sources vibratoires : les vibrations lies aux engins de chantier

Les signaux vibratoires peuvent tre traits dans le domainetemporel, en termes damplitude, mais aussi dans le

domaine frquentiel.Ainsi le principe de lanalyse en srie de Fourier est quunsignal s(t) peut se dcomposer en srie de Fourier sousla forme de :

O fi sont les diffrentes frquences caractristiquesissues de la dcomposition en srie de Fourier.

On appelle frquence principale la frquence majeureprsente sur le spectre de Fourier.

On voit ainsi que sur la figure suivante que la frquenceprincipale est variable en fonction de la voie de mesure.

Lanalyse des signaux vibratoires en temps et en frquence

Fig. 9 : Signal montrant les trois composantes (X,Y,Z) dun vnementvibratoire avec onde de compression et onde de surface

Il est possible destimer de manire empirique la prvision des vibrations grce certaines lois, comme par exemplela loi dite de Chapot, dans le cas de tirs de mines.

Cette loi tablit une relation entre la v itesse particulaire et la distance la source vibratoire :V = K. (D/ Q 0,5) (-b)

O :V = vitesse en mm/sD = Distance en mQ = Charge unitaire (tir de carrire)K = coefficient caractrisant le massif travers et le type de tir pratiqub = coefficient caractrisant lattnuation des ondes vibratoires

Le coefficient K moyen utilis dpend du type de tir :

Tir dabattage Tir bloqu (tranche, tunnel)Calcaire 1 000 2 000 Calcaire 2 000 4 000ruptif 2 000 5 000 ruptif 3 000 6 000

La prvision des vibrations


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Caractrisation dynamique des planchers

Planchers mesursDans le domaine qui nous intresse ici, il est utile de dispo-ser dune reprsentation condense des caractristiquesdynamiques essentielles dun plancher : frquence, raideur,amortissement modal.La reprsentation en admittance (mobility en anglais)est particulirement approprie.Il sagit du quotient du spectre de rponse en vitesse vibra-toire, par le spectre de force. Units : m/s par Newton.Elle peut rsulter aussi bien de mesures exprimentalesralises (par impact au marteau instrument) sur uneconstruction existante, que de calculs prvisionnels.La comparaison/superposition des informations prvision-nelles et exprimentales est possible, ce qui est particu-lirement intressant.

Voici un exemple de plancher mesur :

Fig. 1 : Admittance de plancher dalles alvoles, porte 11 m

Il faut noter que la mesure dadmittance est une mesurelocale.

condition de mesurer ladmittance au ventre du premiermode - qui est en gnral le centre du plancher - cettereprsentation permet en premire approche et en ngli-geant leffet des modes suprieurs davoir accs aux infor-mations suivantes :- premire frquence de rsonance = 6,2 Hz,- raideur statique et dynamique K = 40.106N/m (K = w/Admit aux frquences basses),- Masse modale M = 26 tonnes (M = K/w2), partir desdonnes prcdentes,- amortissement modal 1er mode = 1,2%, par mthode 3 dB ou curve-fit.

Le mode visible suivant se trouve 9 Hz, ce nest pas forc-ment le second mode puisque celui-ci prsente normale-ment un nud au centre du plancher.

Comme 6 Hz est trs proche de lharmonique 3 de lamarche (1,6 Hz 2,2 Hz selon la vitesse), un piton quiproduirait 30 N efficaces sur lharmonique 3 - valeurraliste - engendrerait une rponse de 5.10 -4m/s, soit80 dBv (dB ref 5 10 -8m/s).

En termes de solutions, la rponse dynamique du planchersur ce premier mode peut tre approche en le modlisantpar un systme masse-ressort-amortisseur, de manire bien valuer linfluence des diffrents paramtres ; cecisera ralis plus loin.

Linformation peut aussi tre utilise pour dautres usages :lapplication de 1 Newton efficace 25 Hz produit ici envi -ron 106 m/s.Leffet dune machine tournante peut donc tre estim silon connat la force dynamique produite.

Problmatiques vibratoiresdans la construction

Rsum

Ce texte aborde quelques problmatiques vibratoires actuelles couramment

rencontres dans le domaine de la construction des btiments. Des rsultats

de mesure et de calcul sont prsents, concernant les diffrents sujets dcrits :

comportement dynamique des planchers, effet de la marche des pitons, suspensions

antivibratiles de machines et de btiments.

Abstract

Several problems occuring in dynamic of building structures are dealt with in thispaper : dynamic behaviour of floors, effect of pedestrian motion, filtering performance

of mechanical equipment.

Alain Fournol, Nicolas SouilAVLS18, avenue Charles de Gaulle91400 OrsayTl : 01 64 46 08 08Fax : 01 64 46 17 83E-mail : [email protected]


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28 SpcialVibrationsdanslesbtiments Problmatiques vibratoires dans la construction

De faon gnrale, tous les types de planchers peuvent trereprsents par un graphique de ce type sans ncessitde changer lchelle des ordonnes (10 -8 10-4m/s/N).Les dallages et radiers massifs et rigides se trouventvers le bas de la figure, les planchers souples et lgersvers le haut.

Ci-dessous exemple :

Fig. 2 : Admittances de planchers R-1, RdC et R+1

Les planchers dont ladmittance dpasse 10 -5m/s/Npeuvent tre des planchers problmes (au sens de lagne vibratoire ressentie par les collaborateurs) car leurrponse est leve pour une sollicitation faible.

En gnral les problmes de gne vibratoire peuvent surve -nir dans les cas suivants :- concidence frquentielle entre mode de rsonance etexcitation (cest le cas du plancher reprsent),- trop faible amortissement (par exemple planchers mixtesnon collaborants de grande porte, configuration paysa-ge : 0.4%),- trop faible masse surfacique et/ou trop grandesouplesse.

Systme 1 ddl - Masse ressort

Avec

et

exprim en % de l amortissement critique.

Ladmittance, rapport de la vitesse sur la force scrit :

Fig. 3 : Admittance du systme 1 ddl 6,2 Hz

Niveaux vibratoires engendrs par les pitonssur les planchers

Les mthodes de conception actuelle des planchers utili-sent des matriaux lgers (structures mixte-poutres acieret planchers bac acier collaborant).

Le confort vibratoire lors de la marche dindividus en estrendu plus difficile obtenir, que cela soit sur les plan-chers lgers de petite porte (manque de masse) que surles planchers de grande porte (possible concidence enfrquence et faible amortissement).

Les vibrations fortement ressenties lors du passage dungroupe de personnes dans un couloir voire ltage sup-rieur provoquent couramment une nette perception vibra-toire qui induit une forte inquitude et par fois des doutes(injustifis) concernant la prennit de la structure.

Il est donc de plus en plus courant dtudier les niveauxvibratoires lis la marche des individus, en amont desprojets. Cela passe par une tude fine du comportementvibratoire du plancher (modle aux lments finis) et parune modlisation des efforts induits par les pitons.

Les amplitudes des forces aux dif frentes harmoniquesdpendent du poids de lindividu et du modle de marcheutilis. Ces amplitudes sont exprimes en termes de DLF(Dynamic Load Factor), rapport entre lamplitude de lhar-monique N et le poids du piton (F=M*g).

La littrature donne plusieurs exemples de modles [1-4].

La figure 4 prsente les DLFs associs au modle depiton dfini dans lISO 10137.

La mthode de calcul la plus complte consiste appliquerles efforts temporels de chaque pas aux diffrents pointssitus sur un cheminement de piton reprsentatif.

La figure 5 donne lexemple de 4 pas successifs pourune cadence de marche de 1,8 Hz ainsi que la sommede ces forces.


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29SpcialVibrationsdanslesbtimentsProblmatiques vibratoires dans la construction

La rponse vibratoire calcule en tout point du plancher,permet de situer le plancher dans une chelle de perfor-mance vibratoire (gabarits ISO 10137 dfinis en tiers doc-tave de vitesse vibratoire).

La figure 6 prsente une comparaison entre mesure etcalcul dans la bande de frquence [0-20] Hz.

On observe sur les signaux temporels une grande dif f-rence de niveaux crtes.

Cette diffrence est principalement due au modledexcitation pitonnire selon ISO 10137 qui ne consi-dre pas les harmoniques suprieures lordre 5, cequi est dj lev et correspond 10 Hz pour unemarche 2,0 Hz.

Par contre, lcart entre calcul et mesure est infrieur ougal 5 dB entre les tiers doctave 1,25 et 10 Hz ce quidmontre la pertinence de ce modle pour les harmoni-ques considres.

Fig. 4 : Dynamic Load Factors DLFs - ISO 10137 Fig. 5 : Exemple de marche - F=1,8 Hz - ISO 10137

Fig. 6 : Mesure et calcul piton - F=2,0 Hz


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30 SpcialVibrationsdanslesbtiments Problmatiques vibratoires dans la construction

Fig. 7 : Calcul piton Modle 3D de plancher

La figure 8 ci-dessous prsente un autre rsultat de calculde marche dun piton. La rpartition des maximum de spec-tres tiers doctave en dB ref. 5.10 -8m/s est reprsente.

On observe donc les niveaux vibratoires proximit imm-diate du piton mais aussi ceux provoqus sur des partiesvoisines du cheminement.

Niveaux vibratoires engendrs par lescirculations ferroviaires

Les circulations ferroviaires induisent des vibrations(contact roue-rail, par rugosit) qui se propagent via leterrain jusquaux fondations des btiments, puis aux plan -

chers et parois des espaces habitables, o une gne peuttre ressentie :- par vibrations tactiles,- par rgnration acoustique des parois.

Si lon excepte lanalyse de la source vibratoire proprementdite, cette problmatique peut tre divise en plusieurssous-ensembles :- propagation dans le sol,- interaction sol-structure,- propagation dans la structure du btiment,- amplifications de planchers,- rgnration acoustique dans le volume de rception.

La question qui se pose souvent lacousticien est dedterminer si un btiment construire proximit dunevoie ferre peut tre ralis sans protection antivibra-tile ou non.Des mesures vibratoires initiales peuvent tre ralises sur

site, mais le btiment nexistant pas encore, le comporte-ment vibratoire du sol est diffrent de ce quil sera aprsconstruction

Interaction sol-structureLa littrature technique est peu prolixe sur lapplicationqui nous intresse ; cependant il est important dobte-nir une ide assez juste du niveau vibratoire futur surles fondations du btiment : cest un point de passageoblig des vibrations qui se prte bien une vrificationa posteriori.

Le graphique en figure 9 est une tentative de reprsen-tation du niveau vibratoire mesur sur le terrain avant/aprs construction du btiment.

Fig. 8 : Calcul piton - Rpartition des niveaux vibratoires sur un plancher, pour un scenario de cheminement


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31SpcialVibrationsdanslesbtimentsProblmatiques vibratoires dans la construction

Fig. 9 : Extrait de High speed ground transportationnoise & vib impact assessment

Les occasions de raliser des mesures comparatives avant/

aprs construction sont rares, ci-dessous un exemple decomparaison de ces mesures, qui ne fait pas apparatrede contradiction avec le document prcdent.

Fig. 10 : Extrait de High speed& vib impact

Les facteurs influant sur lallure de ces spectres sont :- la dimension de la fondation vis--vis de la longueurdonde,- la masse et la rigidit de la fondation,- les paramtres mcaniques du sol.

Il est intressant de tenter de recouper de tels effets parla modlisation. Le modle 2D prsent ci-contre permet titre dexemple destimer les diffrences entre une mesuredirecte sur terrain naturel et la mme mesure effectuesur un massif de rception (en bton arm dans cet exem-ple, h=L=2 m) pour une mme excitation applique surun massif metteur situ 15 m.

Pour les hypothses indiques, on distingue une diff-rence de niveau vibratoire partir de 30 Hz, qui atteintun facteur 10 80 Hz.Une mesure ralise directement sur terrain naturel sures-time donc nettement les niveaux vibratoires prsents surdes fondations, et il faut donc tenir compte de facteurscorrectifs importants.Pour limiter les incertitudes il est prfrable de mesu-rer sur une infrastructure existante, ou sur une dalle BAcoule cet effet.

Fig. 11 : Modle FEM 2D, source - rcepteur

Fig. 12 : Niveaux vibratoires 15 m du massifmetteur - avec et sans massif

Amplification de pla

Acoustique Technique 64

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